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1、第三章第三章 电磁波电磁波 相对论相对论 第一单元 电磁波基础整合基础整合1.电磁振荡（1）振荡电流和振荡电路大小和方向都做周期性迅速变化的电流叫做振荡电流.振荡电流属于交变电流.只是在无线电技术中需要的振荡电流的频率要比常用照明用的交流电的频率高得多，这种振荡电流通常用振荡电路产生，最简单的振荡电路由电感线圈（L）和电容器（C）组成，如图311所示，这种电路简称为LC回路.（2）电磁振荡的产生及其周期和频率 LC回路中的振荡电流是由于电容器通过自感线圈（自感线圈要产生自感电动势，阻碍线圈中电流的变化）不断充电、放电，从而使电路中出现了大小、方向随时间按正弦规律变化的振荡电流.LC回路产生振荡

2、电流的过程中，线圈周围的磁场能和电容器里的电场能不断地互相转化着.电容器放电阶段，电路中电流不断增大，这时线圈中出现的自感电动势阻碍电流增大，电场能不断向磁场能转化.当放电完毕时，电场能为零，电路中电流及磁场能达最大值；电容器放电结束时，由于线圈的自感作用，电路的电流不立即减小到零，而保持原方向流动，给电容器反向充电，在此过程中，电流不断减小，磁场能逐渐转化为电场能，直到电容器反向充电完毕时，电流减小到零.磁场能为零，电容器极板上电荷量及电场能最大.在电流周期性变化的同时，电场能和磁场能也周期性地转化.图312表示振荡过程中电路中的电流和极板上的电荷量的周期性变化（未画磁感线）.周期和频率：电

3、磁振荡完成一次周期性变化所用的时间叫做电磁振荡的周期.1 s内完成周期性变化的次数叫做电磁振荡的频率.对LC电路产生的电磁振荡，其周期和频率由电路本身性质决定：2.电磁场和电磁波（1）电磁场麦克斯韦电磁场理论:变化的电场在周围空间产生磁场，变化的磁场在周围空间产生电场；均匀变化的电场（磁场）在周围空间产生恒定的磁场（电场），非均匀变化的电场（磁场）在周围空间产生变化的磁场（电场）.振荡的电场（磁场）在周围空间产生同频率的振荡磁场（电场）.电磁场：变化的电场在周围空间产生磁场，变化的磁场在周围空间产生电场，变化的电场和磁场总是相互联系，形成一个不可分离的统一场，这就是电磁场.（2）电磁波电磁场由

4、近及远的向周围空间传播形成电磁波.电磁波在空间传播不需要介质；电磁波是横波，交替出现的电场方向、磁场方向及电磁波的传播方向三者都互相 垂直；电磁波的传播过程也是传递电磁场的能量的过程.电磁波的传播速度v等于波长和频率f的乘积，即v=f.任何频率的电磁波在真空中的传播速度都等于真空中光速c=3.00108 m/s.3.无线电波的发射和接收（1）有效发射电磁波的条件：足够高的振荡频率；开放电路.（2）调制：调制的两种方式：调幅和调频.使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变叫做调幅；使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变叫做调频.（3）电谐振：当接收电路的固有频率跟接收到的电磁波的频率相同时，接收电路中

5、产生的振荡电流最强，这种现象叫做电谐振.（4）调谐：调谐电路的固有频率可以在一定范围内连续改变，将调谐电路的频率调节到与需要接收的某个电磁波的频率相同，使接收电路中产生电谐振，这一过程叫做调谐.（5）检波：从接收到的高频振荡电流中“检”出所携带信号的过程叫做检波.检波是调制的逆过程，也叫解调.（6）无线电波接收的全过程：天线接收到所有的电磁波，经调谐选择出所需要的电磁波，再经检波取出携带的信号，信号经放大后再还原成声音或图像.4.电视与雷达（1）电视 在电视发射端，摄取景物并将景物反射的光转换为电信号的过程叫做摄像，这个过程是由摄像管来完成的.在电视接收端，将电信号还原成像的过程，由电视接收机

6、的显像管来完成.伴音信号经检波电路取出后，送到扬声器，扬声器便伴随电视屏幕上的景象发出声音来.（2）雷达 雷达是利用电磁波的反射来测定物体位置的无线电设备.当雷达向目标发射无线电波时，在指示器的荧光屏上呈现出一个尖形波；在收到反射回来的无线电波时，在荧光屏上呈现出两个尖形波.根据两个波的距离，可直接从荧光屏上的刻度读出障碍物的距离，再根据发射无线电波的方向和仰角，便可确定障碍物的位置.5.电磁波谱（1）光的电磁说：麦克斯韦根据电磁波和光的传播速度一样，都是3108 m/s，并且都能够发生反射、干涉、衍射，即两者的传播规律完全一致，认为光是一种电磁波.（2）电磁波谱 按照电磁波的波长或频率大小的

7、顺序把它们排列成谱叫做电磁波谱.按波长由长到短排列的电磁波谱为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、射线.类型一：与电磁振荡有关的基本问题【例1】如图313所示的LC振荡电路中，某时刻线圈中磁场方向向上，且电路的电流正在增强，则此时（）A.a点电势比b点高 B.电容器两极板间场强正在减小 C.电路中电场能正在增大 D.线圈中感应电动势正在减小 解析：根据安培定则，线圈中的电流从b到a，此时电流正在增强，表明电容器正在放电，所以下板带正电，上板带负电.a点电势比b点低，电容器两极板间场强正在减小，电场能在减小，电流放电变慢，线圈中感应电动势变小.答案：BD.方法技巧：本题中判断感应电动势的大

8、小变化有两种方法：一种是根据感应电动势的大小等于电容器两极板间的电压来判断，另一种方法就是根据电流的变化快慢来判断.针对训练11：根据麦克斯韦的电磁场理论，下列说法中正确的是（）A.在电场周围一定产生磁场，磁场周围一定产生电场B.在变化的电场周围一定产生变化的磁场，在变化的磁场周围一定产生变化的电场C.均匀变化的电场周围一定产生均匀变化的磁场D.振荡的电场在周围空间一定产生同频率振荡的磁场解析：（1）变化的磁场能够在周围空间产生电场；变化的电场能够在周围空间产生磁场.（2）均匀变化的磁场（电场）能够在周围空间产生稳定的电场（磁场）.（3）振荡的磁场能够在周围空间产生同频率的振荡电场；振荡的电场

9、能够在周围空间产生同频率的振荡磁场.由上述规律可知D选项正确.答案：D.类型二：电磁波谱的应用【例2】家用微波炉是一种利用微波的电磁能加热食物的新型灶具，主要由磁控管、波导管、微波加热器、炉门、直流电源、冷却系统、控制系统、外壳等组成.接通电源后，220 V交流电经变压器，一方面在次级产生3.4 V交流电对磁控管加热，同时在次级产生2 000 V高压电经整流加到磁控管的阴、阳两极之间，使磁控管产生频率为2 450 MHz的微波.微波输送至金属制成的加热器（炉腔），被来回反射，微波的电磁作用使食物内分子高频地运动而使食物加快受热，并能最大限度地保存食物中的维生素.有下述说法，其中正确的是（）微波

10、是振荡电路中自由电子运动而产生的 微波是原子外层电子受到激发而产生的 微波炉变压器的电压变化比为 利用微波加热食物是因为微波比红外线有更强的热作用 微波输出功率为700 W的磁控管每秒内产生的光子数为2.31015个.A.和 B.和 C.和 D.和 思路点拨：微波是波长最短的无线电波，而无线电波是由自由电子振荡产生的，红外线、可见光和紫外线是由原子外层电子受激发产生的，X射线是原子的内层电子受激发产生的.而射线是原子核受激发产生的.解析：微波属于无线电波，是振荡电路中自由电子的运动产生的，故对错；由变压器原理知变压比为，故对；在各种电磁波中，具有显著热作用的是红外线，而微波加热食物的原理是微波

11、的频率更接近食物分子的固有频率，使食物分子产生共振，故错.每秒内产生的光子数为N=4.31026个，故错.应选B.答案：B.方法技巧：电磁波的产生按波长由长到短排序，对应原子结构的自外而内：自由电子外层电子内层电子原子核.易于记忆.针对训练21：关于红外线的以下说法正确的是（）A.不同的物体辐射红外线的波长和强度不同，可以在较冷的背景上探测出较热物体的红外辐射B.利用红外线的热效应对物体进行烘干C.利用红外线波长较长，容易发生衍射的特点进行远距离和高空摄影D.利用不同物体辐射红外线的波长和强度的不同可以对物体进行远距离探测 解析：由于红外线是一种光波，一切物体都在不停地辐射红外线，热物体的红外

12、辐射比冷物体的红外辐射强一些.由于红外线的热效应，可用来烘干，又由于不同的物体所辐射的红外线的波长和强度不同，故在夜间或浓雾天气可通过红外线探测器来接收信号，并用电子仪器对接收到的信号进行处理，或用对红外线敏感的照相底片进行远距离摄影和高空摄影，就可得知物体的形状和特征.所以选项ABCD均正确.答案：ABCD 类型三：与雷达有关的问题【例3】雷达是利用电磁波来测定物体的位置和速度的设备，它可以向一定方向发射不连续的电磁波，当遇到障碍物时要发生反射.雷达在发射和接收电磁波时，在荧光屏上分别呈现出一个尖形波.某型号防空雷达发射相邻两次电磁波之间的时间间隔为510-4 s.现在雷达正在跟踪一个匀速移

13、动的目标，某时刻在雷达监视屏上显示的雷达波形如图314（甲）所示，30 s后在同一方向上监视屏显示的雷达波形如图314（乙）所示.已知雷达监视屏上相邻刻线间表示的时间间隔为10-4 s，电磁波在空气中的传播速度为3108 m/s，则被监视目标的移动速度最接近（）A.1 200 m/s B.900 m/s C.500 m/s D.300 m/s 图314 思路点拨：某时刻物体距雷达的路程等于电磁波脉冲由发射到反射接收过程中传播路程的一半，两个不同时刻的距离差就是这段时间内物体的位移，进而根据公式求出速度.解析：根据图（甲）所示，可知某时刻飞行目标跟雷达距离为x1=（3108410-4）/2 m=

14、0.6105 m，同理根据图（乙）所示算得30 s后飞行目标跟雷达距离x2=0.45105 m，则被监视目标的移动速度v=（x1x2）/t=500 m/s.答案：C.方法技巧：题目中物体的位移实为两个反射时刻内对应的位移，由于时间t=30 sT=510-4 s，故可认为物体运动时间为30 s.针对训练31：某雷达站工作时，发射电磁波的波长为 =20 cm，每秒脉冲数n=5 000，每个脉冲持续时间t=0.02 s.问电磁波的频率为多少？最大侦察距离是多少？解析：电磁波的波长、波速和频率关系为v=f，电磁波在真空中的传播速度为光速，在空气中的速度近似认为等于3108 m/s，所以电磁波的频率f=

15、1.5109 Hz.雷达工作时发射电磁脉冲，每一个脉冲的持续时间t=0.02 s，在两个脉冲时间间隔内，雷达必须接收到反射回来的电磁波，否则会与后面的电磁脉冲重叠而影响测量.设最大侦察距离为x，则2x=vt 而t=1/5 000 s=200 s0.02 s（脉冲持续时间可以忽略不计），所以x=ct/2=3104 m.答案：1.5109 Hz 3104 m 备选例题备选例题 【例题】（成都一模）如图所示，原线圈接频率为f的交流电源，将电感为L的副线圈接一个适当的电容器成为LC振荡电路，这种振荡和机械振动中的_振动相类似，其振荡周期等于_.改变电容器的电容量，当电容等于_时，振荡电流的幅值可达最大

16、值.解析：变压器的副线圈中感应电流的频率与原线圈中的电流频率相同，类似于机械振动中的受迫振动，其振荡周期为1/f，改变电容器的电容量，可以改变LC振荡回路的固有频率，当固有频率与接收信号的频率相等时，发生电谐振.考点演练考点演练（对应学生用书第296297页）达标提升 1.如图315所示，在内壁光滑，水平放置的玻璃圆环内，有一直径略小于环口径的带正电的小球，正以速度v沿逆时针方向匀速转动（从上往下看）.若在此空间突然加上方向竖直向上，磁感应强度B随时间成正比例增加的磁场，设运动过程中小球的带电荷量不变，则有（CD ）A.小球对玻璃环的压力不断增大 B.小球受到的磁场力不断增大 C.小球先沿逆时

17、针方向做减速运动，过一段时间后，沿顺时针方向做加速运动 D.磁场力对小球一直不做功 解析：因为玻璃环所在处有均匀变化的磁场，在周围产生稳定的电场，对带正电的小球做功.由楞次定律判断电场方向为顺时针方向（从上向下看）.在电场力作用下，小球先沿逆时针方向做减速运动，后沿顺时针方向做加速运动.小球在水平面内沿轨迹半径方向受两个力作用：环的弹力FN和磁场的洛伦兹力F洛=Bqv，而且这两个力的矢量和等于小球做圆周运动的向心力.考虑到小球速度大小的变化和方向的变化以及磁场强弱的变化，弹力和洛伦兹力F洛不一定始终在增大.但磁场力始终与圆周运动的线速度方向垂直，所以磁场力对小球不做功.故选CD项.2.如图31

18、6所示为调幅振荡电流图象，此电流存在于电磁波发射和接收中的哪些阶段（AB ）A.经调制后B.经调谐后 C.经检波后D.耳机中 解析：为了把信号传递出去，需要将信号“加”到高频振荡电流上，这就是调制.在接收电路中，经过调谐，使回路与所需接收的电磁波产生电谐振，回路中将会出现调幅振荡电流.经检波后，调幅振荡电流将被“切”去一半，得到单向脉动电流，而在耳机中只有随信号而变化的音频电流.3.某电路中电场随时间变化的图象有如图317所示几种情况，能发射电磁波的电场是（D ）解析：变化的电场可产生磁场，产生的磁场的性质是由电场的变化情况决定的.均匀变化的电场产生稳定的磁场，非均匀变化的电场产生变化的磁场，

19、振荡的电场产生同频率振荡的磁场.图A中电场不随时间变化，不会产生磁场.图B和图C中电场都随时间做均匀的变化，在周围空间产生稳定的磁场，这个磁场不能再激发电场，所以不能发射电磁波.图D中电场随时间做不均匀的变化，能在周围空间产生变化的磁场，而这磁场的变化也是不均匀的，又能产生变化的电场，从而交织成一个不可分割的统一体，即形成电磁场，才能发射电磁波.故选D项.4.（广东广州模拟）一个LC振荡电路中，线圈的自感系数为L，电容器电容为C，从电容器上电压达到最大值Um开始计时，则有（BCD ）解析：LC振荡电路周期 T=2 ，电容器电压最大时，开始放电，经 时间，放电结 束，此时电容器电荷量为零，电路中

20、电流最大，磁场最强，磁场能最大，因为Q=CU，所以电容 器放电量Q=CUm，由I=，所以I=得I=.LCLC21tQLCCU21mLCU2m解析：电视发射端，摄像管摄取景物并将景物反射的光转换为电信号，A对；电视接收端，电视机的显像管把电信号还原成景物的像，B对；摄像机1 s内送出25张画面，电视接收机也以相同的速率在荧光屏上显现这些不连续画面，C、D错.5.下列说法正确的是（AB ）A.摄像机实际上是一种将光信号转变为电信号的装置B.电视机实际上是一种将电信号转变为光信号的装置C.摄像机在1 s内要送出24张画面D.电视机接收的画面是连续的解析：电视信号由于人走过发生变化是由于人对信号的干扰

21、；白炽灯变暗，日光灯不易启动是由于电压在输电线上损失过多；日光灯在工作时，其振流器会发出微弱的电磁波；小灵通通讯效果不好是由于信号的原因.6.（六校联考）下列哪种现象是由于所产生的电磁波所引起的（C ）A.用室内天线接收微弱信号时，人走过时电视画面会发生变化 B.在夜晚用电高峰时，有部分地区白炽灯变暗发红，日光灯不容易启动 C.把半导体收音机放在开着的日光灯附近会听到噪声 D.在边远地区用手机或小灵通通话时，会发生信号中断的情况7.2006年度诺贝尔物理学奖授予了两名美国科学家，以表彰他们发现了宇宙微波背景辐射的黑体谱形状及其温度在不同方向上的微小变化.他们的出色工作被誉为是宇宙学研究进入精密

22、科学时代的起点.下列与宇宙微波背景辐射黑体谱相关的说法中正确的是（ACD ）A.微波是指波长在10-3 m到10 m之间的电磁波B.微波和声波一样都只能在介质中传播C.黑体的热辐射实际上是电磁辐射D.普朗克在研究黑体的热辐射问题中提出了能量子假说 解析：由电磁波谱的划分可知，A对.微波的本质是电磁波，可以在真空中传播，无需介质.声波的本质是机械波，只能在介质中传播，B错.黑体辐射可以辐射各种波长的电磁波，本质上是电磁辐射，C对.根据普朗克的能量子假说推算出的黑体辐射规律和观测到的事实符合得相当好，D对.8.20世纪80年代初，科学家发明了硅太阳能电池.如果在太空设立太阳能卫星电站，可24小时发

23、电，且不受昼夜气温的影响，利用微波电能转换装置，将电能转换成微波向地面发送.飞机通过微波区不会发生意外，但微波对飞鸟是致命的，可在地面站附近装上保护网或驱逐音响，不让飞鸟通过.预计在21世纪初地球上空将升起卫星电站.（1）太阳能电池能够实现哪种转换（）A.光能微波B.光能内能 C.光能电能D.电能微波（2）微波是指（）A.超声波B.次声波 C.电磁波D.机械波（3）飞机外壳对微波的什么作用使飞机安然无恙（）A.反射B.吸收 C.干涉 D.衍射 解析：（1）硅光电池，顾名思义就是把光能转化为电能的装置，在航天及生产生活中应用广泛，所以C项正确.（2）微波属于电磁波，可以在真空中传播，而超声波、次

24、声波都属于机械波，传播必须依靠介质，所以答案选C（3）微波的波长短，不易形成干涉及发生明显的衍射，反射特别显著，与可见光类似，也称为直线波，故答案选A.答案：（1）C （2）C （3）A9.声呐（水声测位仪）向水中发出的超声波，遇到障碍物（如鱼群、潜艇、礁石等）后被反射，测出从发出超声波到接收到发射波的时间及方向，即可测算出障碍物的方位；雷达则向空中发射电磁波，遇到障碍物后被反射，同样也根据发射电磁波到接收到发射波的时间及方向，即可测算出障碍物的方位.（1）超声波与电磁波相比较，下面说法中正确的是（）A.超声波与电磁波传播时，都向外传递了能量 B.这两种波都既可以在介质中传播，也可以在真空中传

25、播 C.在空气中传播的速度与在其他介质中传播的速度相比较，这两种波在空气中传播时均具有较大的传播速度 D.这两种波传播时，在一个周期内均向前传播了一个波长（2）一次某雷达站正在观察一架飞机的飞行，若飞机正向雷达站飞来，从某时刻雷达站发出电磁波到接收到反射回来的电磁波，历时200 s，隔4 s后再观察，从发出电磁波到接收到反射回来的电磁波历时186 s，求飞机飞行速度的大小.解析：（1）超声波与电磁波分别属于机械波和电磁波，它们都是传播的信息和能量，具有波的共同特性，如能够发生干涉、衍射等.机械波的传播必须在介质中，在空气中的速度约为340 m/s，而电磁波可以在真空中传播，在空气中的速度约等于

26、 .根据波速公式可知在一个周期内均向前传播一个波长，AD正确.（2）第一次发射电磁波时飞机离雷达站距离为 ，第二次发射电磁波时飞机离雷达站距离为 ，故飞机的飞行速度为答案：（1）AD （2）525 m/s10.雷达是利用无线电波来测定物体位置的无线电设备，目前雷达发射的电磁波的频率多在200 MHz至1 000 MHz的范围内.（1）下列关于雷达的说法中正确的是（）A.真空中上述雷达发射的电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间 B.电磁波是由恒定不变的电场或磁场产生的 C.测出从发射电磁波到接收反射波的时间间隔可以确定雷达和目标的距离 D.波长越短的电磁波，反射性能越强（2）设雷达向远处

27、发射无线电波.每次发射的时间是1 s，两次发射的时间间隔为100 s.显示器上呈现出的尖形波 如图318所示，已知 图中ab=bc，则障碍物 与雷达之间的距离是多大？解析：（1）根据=c/f，在200 MHz至1 000 MHz的频率范围内电磁波的波长范围在0.3 m至1.5 m之间，故A正确.根据电磁场理论，变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场，故B错误，雷达是利用电磁波的反射原理，C正确.电磁波波长越短，越不易发生衍射，反射性能越好，D正确.（2）由ab等于bc可知电磁波从发射到返回所用时间为50 s.设雷达与障碍物之间的距离为x，电磁波往返的时间为t=50 s 由2x=ct得 答案：（

28、1）ACD （2）探究创新11.机械波和电磁波都能传递能量，其中电磁波的能量随波的频率的增大而_（填“增大”“减小”或“不变”）.波的传播及其速度与介质有一定的关系，在真空中机械波是_传播的，电磁波是_传播的（填“能”“不能”或“不确定”）.在从空气进入水的过程中，机械波的传播速度将_，电磁波的传播速度将_（填“增大”“减小”或“不变”）.答案：增大 不能 能 增大 减小答案：波动 折射（或色散）=x 相干 超声 电磁12.光的干涉和衍射说明了光具有_性，露珠呈现彩色属于光的_现象，利用双缝干涉测光的波长原理表达式为_；全息照片往往用激光来拍摄，主要是利用了激光的_性；海豚定位利用了自身发射的_波，雷达定位利用了自身发射的_波.